一、引言
在科技飛速發展的當下，無人機技術取得了顯著進步，廣泛應用于諸多領域，如航拍測繪、物流配送、農業植保、安防監控等。在這些應用場景中，精準定位對于無人機而言至關重要，其定位精度直接關乎任務的執行效果與安全性。傳統的定位技術，如全球衛星導航系統（GNSS），雖然在開闊環境中能夠提供較為準確的定位信息，但在復雜環境下，如城市峽谷、室內環境、密林區域等，面臨著信號遮擋、多路徑效應等問題，導致定位精度嚴重下降，無法滿足無人機在這些場景中的應用需求。
超寬帶（UWB）技術作為一種新興的無線通信技術，憑借其獨特的技術特性，為無人機在復雜環境下實現精準定位帶來了新的契機。UWB 技術通過發送和接收納秒級甚至皮秒級的非正弦波窄脈沖信號來傳輸信息，具有帶寬極寬、信號功率譜密度低、抗多徑能力強、定位精度高等顯著優勢。將 UWB 技術應用于無人機定位系統，并與多基站多模塊融合組網相結合，能夠有效提升無人機在各種復雜環境下的定位性能，拓展無人機的應用范圍，推動相關領域的進一步發展。
二、UWB 技術概述
2.1 UWB 技術的原理
UWB 技術與傳統通信技術存在本質區別，它不依賴正弦波載波來傳輸信息，而是利用納秒（ns）至皮秒（ps）級的非正弦波窄脈沖進行數據傳遞。這些極窄脈沖具有豐富的頻譜成分，其帶寬通常在 500MHz 以上，甚至可達數 GHz，遠超過傳統通信系統的帶寬。UWB 信號的產生方式主要有沖激無線電（IR）和直接序列擴頻（DSSS）兩種。在 IR-UWB 系統中，僅需產生一個時間短至 nS 級以下的脈沖，便可通過天線進行發送，需要傳送的信息可以通過改變脈沖的幅度、時間、相位進行加載，進而實現信息傳輸。
在定位方面，UWB 技術主要基于飛行時間（TOF）原理來計算目標之間的距離。常見的測距方法包括雙向飛行時間法（TW-TOF）、單向飛行時間法（TOF）和雙側單向測距（SS-TWR）。雙向飛行時間法通過兩個異步收發機之間的信號往返時間差來計算距離，能夠有效消除時鐘同步誤差，提高測距精度；單向飛行時間法通過測量信號從發射到接收的時間差來計算距離，適用于單向測距場景；雙側單向測距則結合了單向測距的便捷性和雙向測距的精度。
2.2 UWB 技術的特點
高精度定位：由于 UWB 信號帶寬極寬，能夠提供亞厘米級甚至毫米級的測距精度，這對于無人機編隊飛行、精準避障、自主著陸等任務至關重要。例如，在無人機編隊飛行中，高精度的定位能夠確保無人機之間保持精確的相對位置，實現整齊劃一的隊形控制和動態調整。
抗干擾能力強：UWB 信號功率譜密度低，且帶寬極寬，能夠有效抑制多徑效應和其他干擾源的影響。在復雜的電磁環境中，如城市環境中存在大量的電磁干擾，UWB 技術能夠像一位堅定的行者，不受外界干擾，穩定地完成數據傳輸和定位任務，保證測距的穩定性。
低功耗：UWB 模塊通常具有低能耗特性，這對于無人機這種對功耗較為敏感的設備來說非常重要。低功耗有助于延長無人機的續航時間，使其能夠在一次充電或一次燃油補給的情況下執行更長時間的任務。
高安全性：由于 UWB 信號強度較低，不易被外界偵測到，適合無人機等需要隱蔽操作的場景。在一些特殊應用中，如軍事偵察、秘密監測等，無人機利用 UWB 技術能夠在不被輕易發現的情況下完成任務，提高了任務的安全性和保密性。
信號穿透性好：UWB 信號具有較強的穿透能力，能夠穿透墻壁、樹木等障礙物，在一定程度上解決了信號遮擋的問題。這使得無人機在室內環境、密林區域等復雜場景下也能夠實現較為可靠的定位。
三、無人機多基站多模塊融合組網架構
3.1 多基站部署方案
在無人機定位系統中，多基站的部署方式對定位精度和覆蓋范圍有著關鍵影響。常見的基站部署方案有三角定位法、四邊定位法和蜂窩狀部署法等。
三角定位法是通過在三個不同位置設置基站，利用 UWB 技術測量無人機與各個基站之間的距離，根據三角形的幾何原理計算出無人機的位置。這種方法適用于對定位精度要求較高且覆蓋范圍相對較小的場景，例如室內無人機表演場地。其優點是計算相對簡單，所需基站數量較少；缺點是覆蓋范圍有限，若基站布局不合理，可能會出現定位盲區。
四邊定位法在四個角設置基站，構建四邊形區域。相比三角定位法，四邊定位法能夠擴大覆蓋范圍，提高定位的穩定性。在一些大型倉庫、工廠等室內環境中，四邊定位法能夠更好地滿足無人機的定位需求。但該方法需要更多的基站，成本相對較高，且對基站的同步要求更為嚴格。
蜂窩狀部署法借鑒了移動通信基站的部署方式，將多個基站按照蜂窩狀布局進行設置。這種部署方式能夠實現大面積的無縫覆蓋，適用于城市環境監測、大型物流園區等場景。蜂窩狀部署法的優點是覆蓋范圍廣、定位精度均勻；缺點是基站數量眾多，部署和維護成本高，系統復雜度大。
在實際應用中，需要根據具體的場景需求和環境特點，綜合考慮成本、精度、覆蓋范圍等因素，選擇合適的基站部署方案。例如，在室內小型無人機編隊表演場景中，三角定位法可能是較為合適的選擇；而在城市規模的無人機物流配送場景中，蜂窩狀部署法更能滿足需求。
3.2 多模塊融合方式
為了進一步提高無人機的定位性能，UWB 模塊通常需要與其他傳感器模塊進行融合。常見的與 UWB 模塊融合的傳感器包括慣性導航系統（INS）、全球衛星導航系統（GNSS）、視覺傳感器和激光雷達等。
UWB 模塊與慣性導航系統（INS）結合，可以提供更精確的無人機定位信息。INS 能夠實時測量無人機的加速度和角速度，通過積分運算得到無人機的姿態和位置信息。然而，INS 存在誤差隨時間累積的問題。在室內或復雜環境中，UWB 模塊通過測量無人機與基站之間的距離，輔助 INS 算法修正誤差，抑制誤差的累積，從而提高定位精度。例如，在無人機進入室內環境后，GNSS 信號受到遮擋無法使用，此時 UWB-INS 融合系統能夠繼續為無人機提供準確的定位信息，確保無人機能夠在室內環境中安全飛行。
結合視覺傳感器和 UWB 模塊，可以進一步提升無人機在視覺挑戰環境中的定位能力。視覺傳感器能夠獲取無人機周圍環境的圖像信息，通過圖像識別和處理技術，提取環境特征點，計算無人機相對于這些特征點的位置和姿態。UWB 模塊則提供無人機與基站之間的精確距離信息。兩者融合后，視覺傳感器可以利用 UWB 的距離信息對自身的定位結果進行校準，而 UWB 模塊也可以借助視覺傳感器的環境感知能力，更好地應對多徑效應等問題。例如，在光線較暗或紋理特征不明顯的環境中，單獨使用視覺傳感器可能會出現定位不準確的情況，此時 UWB 模塊的加入能夠有效提升定位的可靠性。
UWB 模塊與激光雷達的融合也能為無人機帶來更強大的定位和避障能力。激光雷達通過發射激光束并測量反射光的時間來獲取周圍環境的三維點云信息，能夠精確感知無人機周圍障礙物的位置和形狀。UWB 模塊提供無人機的精確位置信息。在無人機飛行過程中，激光雷達的點云數據可以與 UWB 的定位信息相結合，實現更精準的路徑規劃和避障。例如，在無人機穿越狹窄通道或復雜障礙物區域時，激光雷達能夠實時檢測到障礙物的位置，UWB 模塊則確保無人機準確知道自身的位置，兩者協同工作，幫助無人機安全通過復雜區域。
四、UWB 技術在無人機精準定位中的應用場景
4.1 無人機編隊飛行
在無人機編隊飛行應用中，UWB 技術發揮著關鍵作用。無人機編隊飛行要求各無人機之間保持精確的相對位置，以實現整齊美觀的編隊效果和高效的協同作業。UWB 模塊能夠提供亞厘米級甚至毫米級的高精度測距，通過精確測量無人機之間的相對位置，實現隊形控制和動態調整。
利用 UWB 模塊進行兩點間測距，結合慣性導航系統（INS）和 GPS 數據，計算無人機的相對位置。在多無人機系統中，通過 UWB 模塊實現無人機之間的實時通信和協作控制，從而提高編隊飛行的穩定性和效率。例如，在大型無人機燈光秀表演中，成百上千架無人機需要按照預設的圖案和軌跡進行飛行，UWB 技術能夠確保每架無人機都能準確知道自己與其他無人機的相對位置，實現精確的編隊飛行，呈現出絢麗多彩的燈光表演效果。
4.2 室內無人機定位與導航
室內環境由于存在大量的墻壁、障礙物等，GNSS 信號受到嚴重遮擋，無法為無人機提供有效的定位服務。UWB 技術憑借其抗多徑能力強、信號穿透性好等優勢，成為室內無人機定位與導航的理想選擇。
通過在室內環境中合理部署 UWB 基站，無人機搭載 UWB 模塊可以實時測量與基站之間的距離，從而確定自身在室內的位置。結合其他傳感器，如視覺傳感器、慣性導航系統等，無人機能夠實現高精度的室內定位與導航。例如，在室內物流配送場景中，無人機需要在倉庫內準確地飛行到指定貨架位置取貨和送貨，UWB 技術能夠幫助無人機在復雜的室內環境中實現精準定位，高效完成配送任務。
4.3 復雜環境下的無人機作業
在復雜環境，如城市峽谷、密林區域等，傳統定位技術面臨諸多挑戰，而 UWB 技術為無人機在這些環境下的作業提供了可靠的解決方案。
在城市峽谷中，高樓大廈林立，GNSS 信號容易受到遮擋和反射，產生多路徑效應，導致定位精度嚴重下降。UWB 信號帶寬極寬，能夠有效抑制多徑效應的影響，為無人機提供穩定的定位服務。無人機可以利用 UWB 技術在城市峽谷中準確飛行，執行電力巡檢、安防監控等任務。
在密林區域，衛星信號同樣受到嚴重遮擋，且樹木等障礙物對信號的吸收和散射作用明顯。UWB 信號具有較強的穿透能力，能夠在一定程度上穿透樹木等障礙物，實現無人機與基站之間的通信和測距。通過空地協同的方式，利用無人機攜帶 GNSS/UWB 集成化載荷升空作為空中基站，并通過 PPP-RTK 技術對基站位置進行實時標定，配合密林中 UWB 標簽組網測距，能夠完成密林中 UWB 標簽定位，滿足森林資源管理、野外救援、森林巡護等應用的高精度定位需求。
五、技術挑戰與解決方案
5.1 多徑效應問題
在復雜環境中，UWB 信號可能受到反射、折射等多徑效應的影響。這些反射信號會與直接路徑信號（直達信號）同時到達接收器，從而產生多徑干擾，導致測距誤差增大，影響無人機的定位精度。
為了解決多徑效應問題，研究者提出了多種解決方案。一方面，可以通過改進信號處理算法來減少多徑誤差。例如，采用到達時間差（TDOA）算法，通過測量信號到達不同基站的時間差來確定無人機的位置，該算法能夠在一定程度上分離多徑信號，提高定位精度。另一方面，可以利用多天線技術，如智能天線陣列，通過對不同天線接收到的信號進行加權處理，增強直達信號的強度，抑制多徑信號的干擾。此外，還可以結合其他傳感器的數據，如視覺傳感器的環境信息，對 UWB 的定位結果進行輔助修正，進一步提高定位精度。
5.2 系統復雜度與成本
無人機多基站多模塊融合組網精準定位系統涉及多個基站的部署、多種傳感器模塊的集成以及復雜的數據處理算法，這導致系統復雜度較高，成本也相應增加。
為了降低系統復雜度和成本，首先在硬件設計方面，可以采用集成度更高的芯片和模塊，減少硬件組件的數量，降低硬件成本和功耗。例如，研發將 UWB 模塊與其他傳感器模塊集成在一起的一體化芯片，既能減少電路板的面積，又能降低系統的功耗和成本。其次，在算法優化方面，設計高效的定位算法和數據融合算法，減少計算量和數據傳輸量。例如，采用輕量化的神經網絡架構，在保證定位精度的前提下，降低算法的計算復雜度，使其能夠在資源有限的無人機設備上快速運行。此外，在基站部署方面，合理規劃基站布局，盡量減少基站數量，同時保證定位精度和覆蓋范圍，從而降低基站建設和維護成本。
5.3 通信延遲與可靠性
在無人機定位系統中，通信延遲和可靠性直接影響無人機的飛行安全和任務執行效果。UWB 通信雖然具有高速率、低功耗等優點，但在多基站多模塊融合組網的復雜環境下，仍然可能存在通信延遲和丟包等問題。
為了提高通信延遲與可靠性，首先在通信協議方面，采用高效的通信協議，優化數據傳輸流程，減少數據傳輸的冗余和延遲。例如，采用時分復用（TDM）和頻分復用（FDM）相結合的方式，合理分配通信資源，提高通信效率。其次，在網絡架構方面，構建可靠的通信網絡，采用冗余鏈路和備份機制，確保在部分鏈路出現故障時，通信仍能正常進行。例如，在基站之間建立多條通信鏈路，當一條鏈路出現故障時，自動切換到其他備用鏈路。此外，還可以通過增加信號強度、優化天線設計等方式，提高信號的傳輸質量和可靠性，減少丟包現象的發生。